电子与光子碰撞会发生什么？

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简单来说有两种情况。

如果电子被松散地束缚（准自由电子）。则将导致康普顿散射。导致光子能量的降低（波长增加）。光子撞击电子并提供一些能量。并以更大的波长朝着不同的方向行进。电子将获得动能并向其他方向移动。这有点像桌球相撞的情况。

如果电子束缚在原子核外的轨道中。则可能发生光电效应或者光热效应。如果光子的能量足够大。可以从原子中把电子“踢”出去。那么就构成了光电效应。如果能量不够大。但电子被扰动了下。那么久可能造成光热效应；如果光子能量太小。电子根本不咬它。则光子将不受影响地通过。

原子核外的电子轨道

不同的原子其中电子的轨道是不同的。例如。氢原子只有一个电子。但具有多个电子轨道。不同的轨道代表着氢原子那个唯一的电子的不同能态（或者能级）——3个激发态和1个基态。

这三个激发态是氢原子的稳定能级。

基态是没有能量激发时电子最有可能出现的轨道。

请记住。基态也是电子稳定的能级。下图可以让您更好地了解这些能级：

上图：原子能级。

通常情况下。说光子撞击电子是不确切的。应该说光子会被电子吸收。但子康普顿散射的情况下。光子和电子之间表现得更像是“撞击”。

光子和电子相遇发生的事情

简单地说。光子是与其辐射频率成比例的能量包。实际上光子的本质就是能量激起的一种波。

当光子和电子相遇时。能量将在光子和电子之间转移。其能量转给了电子。使得电子变得被“激发”。电子因此具有了从基态向更高能级移动的能量。

电子在当前轨道出现的概率随之突然变得很小。而在更高能级的某个轨道上出现的概率变得极大。这个过程有点像空间传输——突然从一地消失。从另一地出现。但实际上只是一种概率分布的改变——因为电子也是一种波。围绕原子核的电子实际上是一种分布在不同能级轨道上的波。只是由于能量的干扰。使得电子在各轨道上能够被探测到的概率分布发生了改变。

上图：光子与电子相遇的两个过程。先吸收（左）。再发射（右）。

但是由于核电荷的存在。电子在高能级轨道分布概率的上升导致了电势的上升。使得电子相对于核电荷的点位存储了过多的能量。这就像是让跳伞运动员站到了跳伞塔上。具备了更多的高度势能。于是电子就会在没有额外能量的干扰的情况下。准备“跳伞”。这个跳伞动作电子自己是不能控制的。一旦没有了外部能量的持续支持。电子脚下就“虚空”了。就必须跳。

这一跳并不是落下去那么简单。这个过程还伴随着能量的释放——以光的形式。也就是说。把刚才吸收的能量吐出来（既然你已经回到了地面）。如果入射光子能量足够大。足以敲击内层电子。则甚至可能导致产生次级的X射线辐射。这是由于填充在内层的电子被激发后。外层的电子跳入内层填充。就会以辐射形式（通常位于X射线光谱中）发出较高的能量。

这就是光子遇到电子发生的基本情况。

但是如开头我们简述的那样有两种不同的情况:

康普顿散射由亚瑟·荷里·康普顿（Arthur Holly Compton）发现的康普顿散射是带电粒子（通常是电子）对光子的散射。即入射光子（可能是X射线或伽马射线光子）经过原子时能量会减少（波长增加）。这个过程被称为康普顿效应。输入光子的部分能量会转移到反冲电子上。而当带电粒子将其部分能量转换为光子时。又会继续发生康普顿逆散射。

康普顿散射通常是高能光子通过带电粒子可能发生的情况。因为原子的最外层的电子是自由的。更容易产生这种光的非弹性散射效应。通过的光子的波长变化被称为康普顿位移。康普顿散射表现了光子的粒子性。

光电效应

光电效应就比较通俗了。高中物理也有介绍。简单说就是光子的能量比较大。把原子核里面的电子给打出来变成了可以自由溜达的自由电子。大量的自由电子形成电流就成就了光电效应。

但关于光电效应中光子遇到电子的情景。还有下面一些重要的行为特征：

每个光子仅与一个电子相互作用

光子把能量传递给电子。然后就消失（因为光子是一包纯能量。没有别的什么东西）。因此。电子吸收了光子之后就具有了额外的能量。如果有了足够的额外能量。就可能会离开金属原子（非金属基本上不可能产生光电效应。因为原子核把它的电子管得太紧））——这也意味着只有具有足够能量的光子才会导致电子离开金属原子。但总之。一个光子只能跟一个电子发生作用。而不会同时激发多个电子。

只有高于阈值频率的光子才会引起光电效应

更亮的光只是意味着每秒传递更多的能量（光子）包。而每个包的能量是不变的。而光子能量是随着频率升高而升高的。因此。如果没有足够高频率的光。那么光是提高亮度也是没有办法产生光电效应的。也就是说某些光子对于某些金属而言并不能导致光电效应的。因此也不是所有金属都适合作为光电效应的介质。不同的金属产生光电效应的光子的频率阈值也是不一样的。

对于给定的金属表面。存在一定的入射辐射最小频率。在该频率下。不发射光电子。该频率称为阈值频率。每个光子都会产生光电子吗？

假设我们在阈值满足光电效应的频率阈值。那么光子何时到达还有其他事情要考虑。

实际上。光子可以轻松地在原子之间穿过甚至穿过原子内部（原子内部很空旷）。也不会撞击电子。因此。光子最终击中电子时。有许多可能的情况：

光子在金属表面撞击电子。电子利用它获得的能量离开原子并逃逸——这就成了光电效应。

光子在金属表面撞击电子。电子离开原子。但进入更深的金属。但无法逃脱——这在金属内形成了电流。这种电流会在金属内部转化为热能。表现出光的热效应。

光子在撞击电子之前先深入金属。随后导致电子离开原子。朝表面逃逸——这还是光电效应。

光子在撞击电子之前先深入金属。电子受激离开原子并朝着表面前进。但是电子能量不足。无法越过所有其他原子到达表面。因此电子会停止在金属内部。并且永远不会逸出——光子能量变成了热能。表现为光的热效应。

上图：太阳能电池板中。光子被吸收（左）。和电子突破束缚形成自由电子（右）。

因此。实际上。到达金属的光子中只有很小一部分会导致电子被发射出去。大部分都变成了热能。

总结

电子与光子碰撞会发生的大体情节。一点都不狗血。是吧？

其他观点：

以下是我的观点。其中也许由于自己知识有限或者有臆断成分。但我尽可能严谨的回答你的问题。

电子和光子的概念我想提问的人应该清楚。我不多做解释。对撞会发生什么？那我们应该确定两者能否对撞？对于我们认知来说。对撞是两个拥有动量的客体在空间中轨迹有交叉点才能发生的现象。电子是拥有动量的客观实体。光子也是拥有动量的。并且由于定义光子静止质量严格为零。所以拥有动量的光子具有质量。

我需要补充我的观点（我们先做一假设假设光子就是速度大于电子的或正或负电子并地球是是个巨大的正负电子容）我们以太阳光和地球为实验现象。因此这个实验完全符合真实世界的标准。我们来对实验现象来做分析@众所周知

一太阳光会照亮我们的地球 暂不讨论生命

二太阳光能是物质的状态发生变化

三太阳光能使物质发生化学反应

…

一说明了光子和物质发生了作用并被吸收和反射。光子来源于太阳。太阳属于物质。因此光子属于物质。物质据我们现在的认知是由原子核和核外电子组成。原子核能辐射光子。也就说明光子能以某种状态或形式成为原子核一部分。假定光子就是正负电子。那么当太阳光照射地球时就会出现反射和吸收现象

二说明光子使得原子间分子间分子与原子间密度发生了改变。假定光子是正负电子当物质获得电子就不再需要工价电了。因此使得物质状态发生改变。

三说明光子参与了化学反应。化学反应是得失电子的现象。本质上将只有得失电子才能发生化学反应。假定光子是正负电子。那么假设成立

基于以上事实光子和电子对撞首先

能够发生。因为假设为±电子成立。电子与电子对撞在空间中如果两者在同一直线方向相反对撞时由于光子动能大于电子（情况一正负两者都被加速在对撞一瞬间泯灭产生两光子『由于我个人认为实则为两者动量被平均了』）（情况二同电荷减速对撞一瞬间动量被平分光子降为正负电子）

其他观点：

如果不想深入。就直接看量子力学教科书里关于康普顿效应与光电效应那两节吧。反正我不能释然。写了好几天。才算尘埃落定。

先不急回答“发生什么”。有必要先吃透“电子·光子·碰撞”这三个概念。尤其是宏观碰撞与微观碰撞的区别。

1 宏观碰撞的三个类型

宏观上。甲乙两实体碰撞。可分为三类：

·弹性碰撞：甲乙之间硬碰硬。各奔东西。二者可视为不会变形的刚体。例如。刚球对撞。服从动量守恒：△Σpᵢ=0

·柔性碰撞：甲乙之间硬碰软合为一体。硬体陷入软体里面。如石子扔进水里。能量守恒。石子动能转为系统热能：△Σ(Ekᵢ+Qᵢ)=0

·穿越碰撞：甲乙之间硬体从软体穿出。如子弹从人体穿出。能量守恒：△Σ(Ekᵢ+Qᵢ)=0

显然。宏观的两个实体之间的碰撞。都是发生在接触界面上的冲压与摩擦。

2 弹性碰撞的匹配原则

刚性小球之间的弹性碰撞。主要在于有近似的高硬度或高密度。即“硬碰硬”的先决条件。否则就会发生合并或穿越的非弹性碰撞。

微观的弹性碰撞比较复杂。原子光谱效应、散射效应、光电效应、电磁感应、霍尔效应。其实都是光与电子碰撞。统称光电碰撞。

根据硬碰硬原则。光子与电子的硬度或密度。理当是差不多的。否则。就会合并或穿越。

光的衍射。不是光从电子附近绕过。而是低密度的光子。可以过滤掉稀疏的高密度电子。因此。光的衍射。是“软光子”被电子穿越。

光被吸收。不是被电子吸收。而是因为大多数低频光被电子云挡住。留在原子内空间。因此。光的吸收。是“软光子”被电子封闭。

低频光子密度很低。不能发生光电之间的弹性碰撞。高频光子才可能核外电子撞出来。因此。光电效应。是“硬光子”把电子弹出。

光电之间的弹性碰撞要求光子与电子的体密度是相匹配的。此称弹性碰撞的匹配原则。

多大密度的值域或匹配比（η）。可以称得上相互匹配呢？按理讲。这需要大量样本数据统计平均值。理论上。只能大致估计一下。

就宏观而言。例如：金球密度19.32。冰球密度0.9。差比为19.32/0.9=21.5倍。二者依然可以有弹性碰撞。保守一点。硬碰硬的匹配比。不妨设定为：η≥0.05。

就微观而言。主要是光电碰撞。光子波速为真空光速(c)。至少是宏观速度的1000万倍。故按同比原则。匹配比粗略设定为：

η≥10⁻⁹……(1)

接下来的事情。就涉及如何计算不同光子与不同电子的体密度。

3 在不同的温度场。电子有不同的体密度

温度场。是在特定温度与真空度的场。如。核力场、电磁场、引力场、地磁场、分子力场。

电子。在不同的温度场。有不同的体密度。也有自我保护的抗简并压（见第4节）。

这很像热气球的变态：由于外界温度场或真空度的递进变化。气球的体积。随着渐渐升空而渐渐变大。气球的密度也渐渐变小。

进而可推：粒子的质量或电量可以是常量。而体密度是变量。取决于所在的温度场。

热缩冷胀定律：球形化粒子的体密度(ρ)。与所在温度场的平均温度(T)成正比。与自身切向运动的动能(Eₖ)成正比。即：

ρ=m/(4π/3)r³∝½mv²=1.5kT……(2)

r³∝1.5/πv²。或。r³∝m/2πkT……(3)

不难理解：粒子的切向速度(v)越快。粒子体密度(ρ)越大。粒子半径(r)越小。为什么这样？

我的理解：这好比穿羽绒服骑自行车。速度越快。则风被压缩密度变大。风阻的反作用越大。羽绒服正面介质。会因风的压力而变薄。体积缩小。

由此可推：电子的体积变化：电子的旋进速度越快。对前方真空场的冲压越大。此处的场密度变大。对电子的反冲压也越大。

特别注意：热缩冷胀原则。冒看有点像狭义相对论的钟慢尺缩效应 。其实。二者的物理逻辑。截然不同。

4 在不同的温度场。电子有不同的抗简并压

从上可知。宏观碰撞的动力学方程。既不涉及电子。也不涉及光子。

宏观碰撞有接触界面。试想。接触面上是谁和谁碰撞？按理讲似乎是核外电子。

电子与电子能碰撞么？不能。根据泡利不相容。异性电荷也不能。除非导入湮灭进程。

显然。亚原子之间不会靠得太近。为什么不？这可以用“抗简并压理论”来解释。

简并(degeneracy)。即退化、消弭、不复存在。电子简并。即外来冲压力可能彻底毁灭电子的存在形式。然而。电子不会轻易被简并。

根据反作用原则或楞次定律。为了独立存在。对于外来的冲压力。电子会有自己的反冲压。

电子的抗简并压。是电子在特定温度场下。抵御外来冲压破坏自我存在的反冲压。

如何计算电子反冲压（电子的抗简并压）？根据反作用原理。这取决于电荷之间的库仑力：

F₁₂=(1/4πε₀)e²/r²……(4)

电子与核电荷之间的库仑力。是迫使电子围绕核电荷进行切向运动的向心力（冲压力）。也是相应的电子反冲力。即：

F₁₂=m₀v²/r……(5)

电子的冲压面积。为半个电子表面积

A₁₂=½×4πr²=2πr²……(6)

由(3)(4)(5)。可得电子的抗简并压强

P₁₂=m₀v²/2πr³=e²/8ε₀π²r⁴……(7)

有。电子速度(v)与轨道半径(r)反相关

v²=(1/4πε₀m₀)e²/r=253/r……(8)

注意：式(7)与式(8)两个公式很有用：

式(7)可估算毁灭原子所需的压强。式(8)可估算核外电子的边际速度。与核内电子(v=c)轨道半径或核子半径(r)。

核外电子·核内电子·自由电子的边际参数

(1) 在原子内的温度场。核外电子有自己的抗简并力。设电子的边际半径r≈0.053nm

v²=253/r=253/(5.3×10⁻¹¹)=4.77×10¹²

v=2.2×10⁶ [m/s]（v=αc）

(2) 在核子内的温度场。核内电子有自己的抗简并力。根据中子衰变的β电子初速度v=c。可以认为核内电子的边际速度v=c。则核内电子的轨道半径。即中子半径。大致为：

r=253/v²=253/(3×10⁸)²=2.81×10⁻¹⁵ [m]

质子半径的计算比较复杂。需要按实测数据。倒逼有关参数。目前认为大约为0.84费米。

(3) 在电离层的温度场。自由电子有自己的抗简并力。这还涉及式(2)等。不再细述。

5 光子的分类与体密度

不同频率或波长的光子。不同温度场的电子。各有不同的体积与体密度。我们需要对光子体密度与电子体密度的配比范围有个基本估计。

以往教科书中不同电磁波的分类。尤其是各自的来源或发生机制。有一定的参考价值：

根据技术物理的相关应用。我们也可以把光子分为八大频带或波段：

从现代微电子技术应用来看。我们的兴趣主要集中在：

·毫米波(到厘米级)的卫星通信与背景辐射

·微米波的红外制导技术与热成像分布技术

·可见光的激光制冷效应与光纤通信技术

·纳米波的光电碰撞效应与激光蚀刻技术。

按照本题探讨光电碰撞的要求。本文主要关注100纳米左右的远紫外光子的体密度。

至于诸如脑波等生物波。依然属于有待开发的处女地。而机械波的光学支之声子。本质上也是一种电磁波的光子。

例如摩擦起电。既有声波也有光波。而弱摩也会激发例如红外波。只是看不见而已。

下面。特别要厘清【光子】的概念

严格讲。光子并不是可以类比电子一样的独立的离散性运动的粒子。

1个光子。可以是电磁场和/或电磁波(正弦波)中与1个电子关联对应的1个波节。即：

【1个电子】↹【1个波节】↹【1个光子】

用电子枪做光电效应实验方程写成：

eU=½m₀△v²=h△f。有：½m₀v²∝hf

左边是1个电子的切向运动行为。右边是1个波节波动辐射的行为。相当于1个光子的行为。

波节与波节是紧密连续的。彼此之间没有空隙与隔断。故光子与光子之间也是连续的。

尤其。1个光子是电磁场或电磁波（二者互为因果）中有特定频率的1个场量子。

只要有电子的切向运动。就会切割电子自身磁偶极子的磁力线。也会切割核电荷的磁力线。

电子的切向运动切割磁力线。就会产生电磁场。同时也产生电磁波。

磁力线是虚构的。切割磁力线应理解为。电子切向运动。对前方场空间有一个冲压。场被加剧扰动了。就有了相应的电磁波。

光波的发生机制。与一石激起千层浪的水波是一样的。石头好比电子。水好比真空介质。

我们只能说外界的电子运动。使真空场(低频波)中的一个波节性光子加剧了震荡频率。

光子不是从电子肚子里释放的幽灵粒子。可以说“发射1个电子”。不可说“发射1个光子”。只能说“激发1个光子”。

现在。讨论光子的“体积”与“体密度”

1个波节(光子)相当于一个有特定厚度的波带。我们把这条波带卷起来(拓扑法)。像1个漩涡球或圆圈。波长就是圆圈的周长。波的振幅(A)相当于光子的半径(r)。即：

光子的波长或周长：λ=2πr

光子的振幅或半径：r=λ/2π

光子的漩涡球体积：V=λ³/6π³

进而。光子体密度：ρ=6π²m₀/λ³……(9)

最简的光子体密度：ρ=5.4×10⁻²⁹/λ³….(10)

此在数学的合理性。拓扑是一种抽象性迭代。不要求像捏橡皮泥一样完全对等。就好比把声信号转换为电信号再转换为光信号。

声信号<传感器>电信号<传感器>光信号

电磁波<抽象化>正弦波<拓扑化>漩涡球

迭代操作。在微电子技术、计算机技术与光纤通信技术等诸多方面。非常成功。毋容置疑。

5 用碰撞匹配比。估算边际核外电子半径

现在。我们可以着手通过紫外光子半径。估算：光电效应与散射效应下光电子的半径与体密度。预设与计算参数如下：

匹配比按式(1)：η≥10⁻⁹

远紫外光子的波长：λ=62.8nm

远紫外光子的半径：r=λ/2π=10nm

远紫外光子的体密度：

ρ=5.4×10⁻²⁹/λ³

=5.4×10⁻²⁹/(6.28×10⁻⁸)³

=2.18×10⁻⁷ [kg/m³]

边际核外电子的匹配密度

ρₑ=ρ/η

=2.18×10⁻⁷/10⁻⁹=218[kg/m³]

边际核外电子的匹配半径

rₑ³=m₀/4.2ρₑ

=9.1×10⁻³¹/(4.2×218)=9.94×10⁻³³

rₑ=2.1×10⁻¹¹=0.21pm

6 用碰撞匹配比。估算边际核内电子半径

根据中子衰变。我们知到释放的β电子的初速度就是光速。v₀=c。有

n→p+e⁻+νe’（反νe不妨看作伽玛光子）

当然根据熵增加原理。该电子会与前方真空场互动。渐渐衰减。

由此反推。中子内部的高能电子。也是以极限光速绕质子震荡。与质子的边际正电子互偶。

根据光电效应的互逆原则：如果我们用伽玛光子照射一个非放射性原子内部的中子。也会发生光电碰撞。把高能电子弹射出来。

这种情况下。设定参数与计算参数如下

伽玛光子的波长：λ=4.85×10⁻¹²[m]

伽玛光子的半径：r=0.77×10⁻¹²[m]

伽玛光子的体密度：

ρ=5.4×10⁻²⁹/λ³

=5.4×10⁻²⁹/(4.85×10⁻¹²)³

=4.7×10⁵[kg/m³]

中子内高能电子的匹配密度

ρₑ=ρ/η

=4.7×10⁵/10⁻⁹=4.7×10¹⁴[kg/m³]

中子内高能电子的匹配半径

rₑ³=m₀/4.2ρₑ

=9.1×10⁻³¹/(4.2×4.7×10¹⁴)=0.46×10⁻⁴⁵

rₑ=7.7×10⁻¹⁶[m]=0.77fm

7 可见。根据硬碰硬的匹配原则。光电效应至少有两种典型的结论：

结论1：只有伽玛光子才能与核内电子发生光电弹性碰撞效应。其中。中子内的高能电子半径0.77fm。与质子半径0.84fm差不多。估计实验所测的质子半径。其实就是质子内的高能正电子的半径。

结论2：只有紫外光子才能与核外电子发生光电弹性碰撞效应。频率的过高（如伽玛光子）与过低（紫色光子）。都不可能发生与核外电子的光电效应。

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